全角度微型手术机器人控制系统的研究

发布时间：2023-07-25 04:55

　　机器人技术在各个领域的深入应用带动了医疗手术机器人的研究,医疗手术机器人可以辅助医生更好的进行手术,使用它可以实现比手更加精细的动作,达到更好的手术效果,医疗机器人是未来手术的发展方向。针对医疗手术机器人在使用时存在过分穿刺以及抖动补偿的问题,本文根据手术机器人的模型和使用场景,提出了一种基于陀螺仪和加速度计的误差计算和补偿方法,该方法以坐标系之间的关系为基础识别动作与误差并进行补偿。通过对组织应变特性的具体分析,提出使用基于最小二乘法的压力传感器预测反馈控制方法,基于该方法的控制策略符合人体组织的力学特性,能够实现手术机器人在使用中实时的压力反馈功能。本文以自主设计的全角度微型手术机器人模型为被控对象,简要介绍全角度微型手术机器人物理结构,然后使用仿真软件建立手术机器人的DH模型对设计的手术机器人模型进行运动学分析,验证模型在使用场景下能够完成特定的动作,根据已有的电机控制设计预估手术机器人的使用误差。然后,选取基于STM32F407芯片的运动控制板,根据控制板选择驱动器、传感器等硬件完成电路的搭建。在此基础之上,编写下位机控制软件、机器人姿态稳定控制程序和压力反馈控制程序。设计了用...

【文章页数】：108 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题的研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本论文主要研究内容以及章节安排
    1.4 本章小结
第二章 全角度微型手术机器人的建模仿真
    2.1 引言
    2.2 机器人模型介绍
    2.3 机器人的DH模型
        2.3.1 模型的建立
        2.3.2 手术机器人的运动学正解与逆解
    2.4 手术机器人空间轨迹的仿真
    2.5 组织建模以及压力反馈控制仿真
    2.6 本章小结
第三章 机器人控制系统的设计方案
    3.1 引言
    3.2 机器人运动控制系统整体设计方案
    3.3 机器人运动控制系统硬件设计方案
    3.4 机器人运动控制系统软件设计方案
    3.5 反馈控制流程
    3.6 压力传感器数值与机器人控制动作的逻辑关系
    3.7 本章小结
第四章 机器人运动控制系统的硬件设计
    4.1 引言
    4.2 主控制芯片的选择
    4.3 STM32主控板硬件资源以及原理图
    4.4 时钟模块的电路设计
    4.5 主控板电源接口电路以及复位电路的设计
    4.6 存储器模块的电路设计
    4.7 压力传感器模块
    4.8 步进电机及其驱动器介绍
    4.9 编码器接口
    4.10 四路步进电机控制接口
    4.11 仿真器接口原理图
    4.12 通用输入输出IO口
    4.13 RS232串口通讯
    4.14 模数转换模块
    4.15 MPU6050模块
    4.16 本章小结
第五章 机器人运动控制系统的软件设计
    5.1 引言
    5.2 系统软件框架
    5.3 上位机控制界面及其实现说明
    5.4 STM32启动流程的分析
    5.5 下位机控制软件的实现及其说明
    5.6 电机控制方案以及代码实现
        5.6.1 驱动器相关GPIO初始化配置
        5.6.2 电机转速设定理论依据以及输出相关配置
    5.7 编码器的角度读取
    5.8 压力传感器模数转换配置
    5.9 时间序列分析-基于最小二乘法的压力传感器数值预测
    5.10 姿态稳定
        5.10.1 姿态稳定研究
        5.10.2 姿态稳定仿真及其程序实现
    5.11 系统时钟配置程序
    5.12 RS232 通信功能引脚GPIO初始化
    5.13 MPU6050配置与操作函数
    5.14 本章小结
第六章 实验与调试
    6.1 引言
    6.2 系统整体硬件连接
    6.3 单步模式控制实验
    6.4 连动模式控制实验
    6.5 姿态稳定实验
    6.6 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
附录
致谢
攻读学位期间参加的科研项目和成果



本文编号：3837199